孫金秋，游有鵬，張映明

(1．南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156；2．南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

自動(dòng)恒溫出水電熱水器的設(shè)計(jì)

孫金秋1,2，游有鵬2，張映明1

(1．南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156；2．南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

針對(duì)儲(chǔ)水式電熱水器在使用時(shí)，需要不斷地去手動(dòng)調(diào)整冷熱水比例這一缺陷，設(shè)計(jì)了一種新型的自動(dòng)恒溫出水的電熱水器。系統(tǒng)根據(jù)目前冷熱水的溫度、出水溫度和用戶設(shè)定的溫度，通過PID算法計(jì)算控制量，然后控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閥門，控制冷熱水的進(jìn)水比例，從而達(dá)到恒溫出水的目的。為完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制，將市場(chǎng)上直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的球閥改裝為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的球閥。試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的熱水器可以按照用戶設(shè)定的溫度，自動(dòng)恒溫出水，且具有較好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能。進(jìn)一步產(chǎn)品化后，該系統(tǒng)會(huì)有較好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

儲(chǔ)水式電熱水器；恒溫出水；球閥；PID

目前國內(nèi)熱水器產(chǎn)品主要有電熱水器、燃?xì)鉄崴?、太陽能熱水器和空氣能熱水器等，其中電熱水器和燃?xì)鉄崴鳛橹鲗?dǎo)[1]。儲(chǔ)水式電熱水器由于是容積式，加熱一罐水后，當(dāng)使用時(shí)由于溫度較高，要用冷水將加熱的水頂出，同時(shí)要兌一部分冷水。在頂出的過程中，開始水溫較高，隨著使用，罐內(nèi)水溫逐漸下降，直到全部是冷水，所以在使用時(shí)，需要不停地去調(diào)整冷、熱水的比例。如果將冷熱水的調(diào)節(jié)方式由手動(dòng)該成自動(dòng)，那電熱水器的舒適度會(huì)大大提高，也會(huì)更受消費(fèi)者歡迎[2-4]。 市場(chǎng)上燃?xì)鉄崴骱图礋崾綗崴骶芽蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫出水。2009年7月，皮阿諾首款三相電即熱式電熱水器研發(fā)成功，并率先采用“電腦智能恒溫”技術(shù)，結(jié)束了行業(yè)“三相電”即熱式電熱水器無恒溫機(jī)型的歷史。但儲(chǔ)水式的恒溫出水的電熱水器卻鮮有報(bào)道。本文在現(xiàn)有儲(chǔ)水熱水器的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)了其自動(dòng)恒溫出水的功能。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)恒溫出水系統(tǒng)的原理圖

整個(gè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)、閥門、顯示電路、溫度傳感器、鍵盤和編碼器等構(gòu)成。單片機(jī)采集冷水、熱水、和當(dāng)前出水的溫度，以及用戶設(shè)定的溫度，并對(duì)它們進(jìn)行運(yùn)算后，計(jì)算出控制量的大小。電機(jī)根據(jù)控制量的大小去控制冷水和熱水的閥門開度，調(diào)整冷熱水的比例，從而使出水達(dá)到用戶設(shè)定值。 系統(tǒng)中單片機(jī)采用STM32。STM32內(nèi)置32K到128K的閃存，時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品。與AT89C2051和STC89C52RC單片機(jī)相比，STM32具有性能高、成本低、功耗低、體積小的特點(diǎn)[5-6]。 顯示電路選用LCD12864液晶顯示屏。其功耗低，可以顯示四行每行十六個(gè)字符或者是八個(gè)中文字符。 系統(tǒng)中要求閥門調(diào)節(jié)量較小，精度較高，直流電機(jī)調(diào)節(jié)精度較低，難以滿足控制要求。而步進(jìn)電機(jī)可以做到步進(jìn)量可控，控制精度較高故選用步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路選用L298芯片。 溫度傳感器選用DS18B20，其測(cè)量精度符合要求，且采用單總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可以在一條總線上掛多個(gè)傳感器。

閥門的選擇是本系統(tǒng)的難點(diǎn)，目前常見的調(diào)節(jié)閥有工業(yè)調(diào)節(jié)閥、混水閥、球閥等。工業(yè)調(diào)節(jié)閥主要采用三通的形式，調(diào)節(jié)閥和控制器配套使用價(jià)格比較昂貴，體積較大?；焖y門一般用于熱水器上的手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，若要用于自動(dòng)調(diào)節(jié)則需要改裝。球閥的體積較小，價(jià)格比較便宜。但目前市場(chǎng)上的球閥均采用直流電機(jī)控制，閥門控制只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。而該系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)閥門的開度，此類球閥不符合要求，因此需對(duì)閥門進(jìn)行改裝。首先把直流電機(jī)拆下，然后做一個(gè)轉(zhuǎn)接板，將步進(jìn)電機(jī)和減速齒輪分別固定在轉(zhuǎn)接板兩側(cè)，閥門便改為由步進(jìn)電機(jī)控制。 轉(zhuǎn)接板如圖2所示，鋁板上鉆孔攻絲四個(gè)螺絲孔，外側(cè)兩個(gè)螺絲孔用于固定電機(jī)，內(nèi)側(cè)兩個(gè)螺絲孔用于固定鋁板和減速齒輪。改裝之后的兩個(gè)球閥如圖3所示。整個(gè)閥門的安裝如圖4所示。

圖2 轉(zhuǎn)接板

圖3 改裝后的球閥

圖4 球閥的安裝

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的流程圖

系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的程序流程圖

系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法，由主控制程序、液晶顯示部分子程序、18B20溫度檢測(cè)子程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和PID算法程序等組成。Main函數(shù)如下：

int main()

{RCC_Configuration();RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//開GIPO B

GPIO_Set();//

LCDinit();//初始化LCD

temper_int();//

Exitinit();

TIM3_INT();

TIM2_INT();

TIM4_INT();

Menu_Print(count%4);//菜單繪制和更新}

其中：TIM3定時(shí)中斷中，主要完成按鍵識(shí)別、菜單切換、動(dòng)態(tài)反白及進(jìn)度條繪制等工作。TIM2定時(shí)中斷中，每15ms完成一次溫度的采集及PID運(yùn)算，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的控制量并給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序。TIM4定時(shí)中斷中，主要每5ms對(duì)IIC數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

2.2 控制算法

系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)采樣周期，控制器輸出的控制量，是相對(duì)于上次控制量的增加，所以控制器應(yīng)采用數(shù)字增量式PID控制算法。其公式為

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=Ae(k)+Be(k-1)+C(k-2)

式中：u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；T為采樣周期；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)，；Ki=Kp×T/Ti;Kd為微分系數(shù)，Kd=Kp×Td/T。

控制器的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd需要整定，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制效果。本文采用比例臨界法整定了三個(gè)參數(shù)，KP=1.6、Ti=10、Td=2.4,進(jìn)一步可得推出Kp、Ki、Kd[7]。整個(gè)控制算法的原理如圖6所示。

圖6 PID控制原理圖

3 系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試

將所設(shè)計(jì)的恒溫出水控制器安裝在現(xiàn)有的家用電熱水器上，進(jìn)行了調(diào)試。系統(tǒng)有三個(gè)按鍵以及一個(gè)編碼器，編碼器用于設(shè)定溫度以及流量。按鍵可切換手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)不到用戶要求時(shí)用戶可切換到手動(dòng)調(diào)節(jié)模式。調(diào)試中顯示屏的各界面如圖7所示。系統(tǒng)開機(jī)啟動(dòng)時(shí)顯示主界面如圖7a所示，用戶通過按鍵和編碼器設(shè)定出水溫度以及流量大小，界面分別如圖7b和圖7c所示，當(dāng)熱水溫度低于用戶所設(shè)定的出水溫度值時(shí)顯示警告。設(shè)定完畢后開啟溫度調(diào)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的冷水和熱水溫度進(jìn)行比例的預(yù)調(diào)節(jié)，界面如圖7d所示。當(dāng)預(yù)調(diào)節(jié)完畢后總閥門開啟，溫度的PID調(diào)節(jié)隨之開啟，液晶屏顯示主界面，顯示設(shè)定的溫度、出水的溫度、冷熱水溫度以及冷熱比例的信息。

圖7 系統(tǒng)調(diào)試各界面

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，在2.2整定的PID參數(shù)下，設(shè)定出水溫度為33℃。針對(duì)幾種冷熱水情況，進(jìn)行了調(diào)試。調(diào)試結(jié)果如表1所示。可看出冷熱水的溫差越大，調(diào)節(jié)時(shí)間越長。其中當(dāng)冷水溫度為26℃，熱水溫度為時(shí)50℃，采用描點(diǎn)法測(cè)30分鐘內(nèi)熱水器出水的溫度曲線如圖8所示，系統(tǒng)的溫度誤差范圍在1℃之內(nèi)。在調(diào)節(jié)過程中，控制器的各參數(shù)如表2所示。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，連續(xù)采樣100個(gè)點(diǎn)并求和，其和為2.57。儲(chǔ)水式電熱水器在熱水流出的同時(shí)，冷水會(huì)補(bǔ)進(jìn)，導(dǎo)致熱水的溫度會(huì)越來越低，所以的和也會(huì)越來越大，熱水閥門的開度越來越大。

表1 系統(tǒng)調(diào)試情況

圖8 Kp=1.6、Ti=10、Td=2.4的溫度曲線

表2控制器各參數(shù)

采樣次數(shù)Δu(K)熱水閥門開度/%1-2．3645．023．1751．33-2．8047．145．3057．55-0．1057．56-0．1457．57-2．0953．3

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有的儲(chǔ)水式電熱水器進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了其恒溫出水的功能。若將系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，如縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，減少出水的溫度誤差等等。及進(jìn)一步產(chǎn)品化后，該系統(tǒng)能夠在電力工程、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用。也能夠在在日常生活中，用于地?zé)?、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測(cè)量及工業(yè)設(shè)備溫度測(cè)量控制等場(chǎng)合。

[1]連小衛(wèi).家用熱水器知道少[J].現(xiàn)代家電,2011,26(9)：52-55.

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DesignofElectricWaterHeaterwithAutomaticConstantTemperature

SUN Jinqiu1,2，YOU Youpeng2，ZHANG Yingming1

(1.Nanhang Jincheng College,Nanjing 211156,China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering ,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

A constant temperature electric storage water heater is designed to overcome the demerit of manually adjusting the proportion of hot and cold water in use.According to the hot and cold water temperature,out-flowing water temperature,and the temperature set by user，controlling parameters could be obtained through the PID algorithm.Then the proportion of inflow hot and cold water could be adjusted through the valves driven by stepper motor.In order to realize closed loop controlling,the spherical valves driven by DC motor were converted into ones driven by stepper motor.Experimental results show that the system can keep out-flowing constant temperature water set by user.And it has good dynamic and static performance.The system will have a good market.

electric storage water heaters;constant temperature;spherical valve;PID

2013-12-23

孫金秋(1979—)，女，講師，博士生，研究方向：交流伺服控制系統(tǒng)以及先進(jìn)控制理論與應(yīng)用；通訊作者：游有鵬(1960—)男，教授，博導(dǎo)，研究方向：機(jī)電一體化控制與應(yīng)用以及數(shù)控技術(shù)等.

1003-1251(2014)04-0053-04

TP23

A

馬金發(fā))